作者：Niranjana R
随着系统复杂度和性能需求持续提升，单颗 FPGA 往往已经难以满足要求。在高性能计算、航空电子、雷达系统、AI 加速以及数据中心网络等应用中，多 FPGA 系统正越来越多地被采用，以获得更高的吞吐量、更好的扩展性以及更灵活的架构。
然而，多 FPGA 系统的设计也带来了新的挑战，例如：逻辑如何合理分区、芯片之间如何进行高效互连、以及如何在多个器件之间保持精确同步。本文将探讨一些实践中行之有效的策略，以应对这些问题。
多 FPGA 系统的基本概念
多 FPGA 系统通常由两颗或多颗 FPGA 协同工作，共同实现一个完整的逻辑设计或应用。这些 FPGA 可以部署在同一块电路板上，也可以分布在多块板卡之间，甚至分布在整个机箱系统中。
采用这种架构的主要动机，是突破单颗 FPGA 在以下方面的限制：
逻辑资源容量
I/O 带宽
功耗预算
系统性能
通过多 FPGA 架构，可以实现更高的计算能力和系统规模。但与此同时，这种架构也会带来新的复杂性，例如：
芯片间数据传输
系统延迟
时钟体系
设计验证
因此，一个经过充分规划的系统架构，是多 FPGA 项目成功的关键。
设计分区前需要考虑的问题
在将设计拆分到多颗 FPGA 之前，必须对应用需求进行充分分析。关键评估因素包括：
各模块之间的数据带宽需求
系统对延迟的敏感程度
时钟域划分需求
未来系统扩展能力
在系统架构早期做出的决策，往往能够显著减少后续设计迭代次数，并降低系统集成风险。
另一个重要因素是 FPGA 器件的选型。需要综合考虑：
是否具备足够的高速收发器（Transceiver）
支持哪些互连标准
逻辑资源密度
片上存储资源
功耗预算
这些因素都会直接影响设计如何进行分区以及 FPGA 之间的互连方式。
设计分区策略
分区（Partitioning）是将大型设计拆分为多个功能模块，并映射到不同 FPGA 上的过程。常见策略包括以下几种。
1 功能分区（Functional Partitioning）
最常见也是最有效的方法之一，是按照功能模块进行划分。每颗 FPGA 负责一个独立的子系统，例如：
信号处理模块
控制逻辑
数据汇聚
协议处理
这种方式能够提高系统模块化程度，同时也更利于调试与维护。
2 数据流分区（Data-Flow Partitioning）
另一种思路是按照数据路径进行划分。
设计原则通常是：
内部通信频繁的模块放在同一 FPGA 中
清晰的数据流通过 FPGA 之间进行传输
这样可以减少跨 FPGA 通信，从而降低系统延迟并提高整体效率。
3 资源驱动分区（Resource-Based Partitioning）
在一些高性能应用中，设计分区会依据 FPGA 的资源情况来进行。例如：
LUT 数量
DSP Slice
BRAM
高速 SerDes
当设计的某些模块对特定资源需求极高时，这种方式尤为有效。
无论采用哪种策略，都应遵循以下原则：
尽量减少跨 FPGA 信号
清晰定义接口
保持各 FPGA 之间的资源利用均衡
多 FPGA 系统中的互连技术
互连设计是决定系统性能的核心因素之一。互连方式的选择通常取决于：
带宽需求
延迟要求
传输距离
功耗限制
并行互连
在同一电路板上的短距离通信中，常常使用并行接口。
优点是实现简单、吞吐量高。但随着速率提升，也会面临挑战，例如：
信号完整性问题
PCB 走线复杂度增加
高速串行互连
现代设计中更常见的是基于 FPGA 高速收发器的串行接口，例如：
PCIe
Ethernet
Aurora
JESD204
自定义高速串行链路
这类接口可以在较少物理连接的情况下提供可扩展的带宽，并适用于：
板级通信
背板通信
芯片间协议
近年来，低延迟的 FPGA-to-FPGA 串行链路也越来越流行，尤其是在：
数据中心
AI 加速平台
这些技术能够在保持协议灵活性的同时，实现高效的数据共享。
在设计互连时，需要重点关注：
信号完整性
时钟恢复
Lane Bonding
错误检测机制
这些因素直接决定通信的可靠性。
同步与时钟挑战
在多 FPGA 系统中，同步问题往往是最关键的设计难点之一。
由于每颗 FPGA 可能使用不同的时钟源，这就会产生：
时钟域跨越（Clock Domain Crossing）
时序问题
如果同步设计不当，可能导致：
数据损坏
亚稳态（Metastability）
系统行为不可预测
全局参考时钟
一种常见方案是为所有 FPGA 分发一个全局参考时钟。
优势包括：
各 FPGA 频率一致
时序分析更简单
但需要注意：
时钟偏斜（Clock Skew）管理
大规模系统中的分发问题
时钟域跨越技术
如果系统无法使用单一时钟，则需要采用 CDC 技术，例如：
异步 FIFO
握手协议
弹性缓冲（Elastic Buffer）
这些方法可以保证跨时钟域的数据完整性。
精确时间对齐技术
在一些对时间精度要求极高的应用（如雷达或航空电子）中，还需要更复杂的同步机制，例如：
确定性延迟链路（Deterministic Latency）
时间戳机制
通过 PLL 或 MMCM 进行相位对齐
在这些场景中，通常会优先选择具有确定性行为的通信协议。
复位与配置同步
在多 FPGA 系统中，复位与配置顺序同样至关重要。
系统在上电或复位时，所有 FPGA 必须进入一个确定的初始状态。如果复位顺序不当，可能导致：
系统只完成部分初始化
难以定位的问题
一种常见做法是引入一个中央控制器或主管 FPGA（Supervisor FPGA），负责：
系统复位管理
配置加载
设备监控
这种方式可以实现协调启动，并简化系统管理。
验证与调试
多 FPGA 系统的验证复杂度显著高于单 FPGA 设计。
仿真需要考虑：
FPGA 之间的接口
时序变化
同步机制
常见验证方法包括：
协同仿真（Co-simulation）
硬件在环测试（Hardware-in-the-Loop）
在调试方面，也需要提前规划。常用手段包括：
集成逻辑分析仪（ILA）
跨 FPGA 触发机制
标准化调试接口
在设计阶段就考虑系统可观测性，可以显著缩短系统调试时间。
功耗、散热与扩展性
多 FPGA 系统会显著提高整体功耗和热密度，因此必须考虑：
高效电源管理
散热设计
气流规划
在设计分区时，也应考虑板级功耗分布和热平衡。
从扩展性的角度看，模块化架构更容易支持未来升级。例如：
新增 FPGA
升级计算能力
采用标准化互连接口和可复用设计模块，也有利于系统长期演进。
总结
多 FPGA 系统使工程师能够构建超越单芯片能力限制的高性能、可扩展系统。
成功实现这种架构，关键在于：
合理的设计分区
高效的互连架构
可靠的同步机制
如果在设计早期就充分考虑这些因素，并采用成熟的系统架构方法，就可以在降低集成风险的同时，大幅缩短开发周期。
随着高速数据处理、航空航天和先进计算需求不断增长，多 FPGA 系统仍将是下一代电子系统设计的重要支撑技术。
本文编译自：FPGAinsights